Naujos rūšies atominis laikrodis yra tikslesnis nei bet kuris dar pastatytas, turintis galimybę sklandžiai pažymėti tūkstantį kartų visatos gyvavimo laiką. Naujasis vadinamasis kvantinis dujų laikrodis, kuris ne tik yra geriausias laikrodis iki šiol, vieną dieną gali pasiūlyti naujos fizikos įžvalgų.
JILA (anksčiau dar vadinto Jungtiniu laboratorinės astrofizikos institutu) tyrėjai panaudojo stroncio atomų ir daugybės lazerio pluoštų derinį, kad sukurtų tokį tikslų laikrodį, kad gali būti įmanoma išmatuoti gravitacijos sąveiką mažesnėmis skalėmis nei bet kada anksčiau. . Tai darydamas, jis gali išaiškinti savo santykių su kitomis pagrindinėmis jėgomis prigimtį - paslaptį, kuri dešimtmečius glumino fizikus.
Atominiai laikrodžiai matuoja laiką naudodami atomų virpesius kaip labai tikslus metronomas. Dabartiniai atominiai laikrodžiai išjungiami sekundėmis per dešimtis milijardų metų. Ši naujausia iteracija yra pakankamai tiksli, kad maždaug 90 milijardų metų ji atsitiks tik 1 sekundę.
Siekdama tokio tikslumo, komanda atšaldė stroncio atomus, kad jie nejudėtų ir nesusidurtų vienas su kitu - tai, kas gali išmesti jų vibraciją. Pirma, jie paveikė atomus lazeriais. Kai lazeriuose paveikti fotonai, atomai sugeria savo energiją ir vėl skleidžia fotoną, prarasdami kinetinę energiją ir šaldami. Bet tai jų nepakankamai atvėsino. Taigi, kad jie būtų dar šaltesni, komanda rėmėsi garavimo aušinimu, leisdama kai kuriems stroncio atomams išgaruoti ir priimti dar daugiau energijos. Juose liko nuo 10 000 iki 100 000 atomų, esant tik 10–60 milijardų dalių laipsniui aukščiau absoliutaus nulio arba minus 459 laipsnių Farenheito (minus 273 laipsniai Celsijaus).
Šalti atomai buvo įstrigę 3D lazeriu. Sijos buvo išdėstytos taip, kad trukdytų viena kitai. Tai darydami jie sukūrė žemo ir didelio potencialo energijos regionus, vadinamus potencialiais šuliniais. Šuliniai veikia kaip sukrautos kiaušinių dėžutės, ir kiekvienoje jų yra stroncio atomas.
Atomai atšilo tiek, kad liovėsi sąveikavę tarpusavyje - skirtingai nuo įprastų dujų, kuriose atomai skrieja atsitiktinai ir atsimuša nuo savo kolegų, tokie atvėsę atomai išlieka gana nejudantys. Tada jie pradeda elgtis ne taip kaip dujos ir labiau panašūs į kietą, nors atstumas tarp jų yra daug didesnis nei tas, kuris randamas kietajame stroncio.
„Šiuo požiūriu tai labai įdomi medžiaga; dabar ji turi savybių, tarsi būtų vientisa“, - „Live Science“ pasakojo projekto vadovas Jun Ye, Nacionalinio standartų ir technologijos instituto fizikas. (JILA kartu valdo NIST ir Kolorado universitetas, Boulderis.)
Tuomet laikrodis buvo pasirengęs pradėti laikyti laiką: Tyrėjai lazeriu trenkė į atomus, sudomindami vieną iš elektronų, skriejančių aplink stroncio branduolį. Kadangi elektronus valdo kvantinės mechanikos dėsniai, negalima pasakyti, koks energijos lygis yra elektronui, kai jis yra sužadintas, ir galima tik pasakyti, kad jis turi tikimybę būti viename ar kitame. Norėdami išmatuoti elektroną, po 10 sekundžių jie atleido dar vieną lazerį prie atomo. Tas lazeris matuoja, kur elektronas yra aplink branduolį, nes iš lazerio fotoną atgauna atomas - ir kiek kartų jis svyravo tuo laikotarpiu (10 sekundžių).
Vidutinis šio matavimo tūkstančių atomų matavimas suteikia šiam atominiam laikrodžiui tikslumą, lygiai kaip tūkstančių tapačių švytuoklių ritmų vidurkis duos tikslesnį vaizdą, koks turėtų būti tos švytuoklės laikotarpis.
Iki šiol atominiai laikrodžiai turėjo tik pavienes atomų „stygas“, o ne 3D groteles, todėl jie negalėjo atlikti tiek daug matavimų, kiek tai padarė, sakė Ye.
„Tai yra lyginti laikrodžius“, - sakė Ye. "Taikant tą analogiją, lazerio pulsas ant atomų iššaukia koherentinį virpesį. Po dešimties sekundžių vėl įjungiame impulsą ir klausiame elektrono:" Kur tu esi? "" Šis matavimas apskaičiuojamas tūkstančių atomų vidurkiu.
Ye sakė, kad sunku išlaikyti elektronus tokioje būsenoje, ir tai yra dar viena priežastis, kodėl atomai turi būti tokie šalti, kad elektronai netyčia neliestų nieko kito.
Laikrodis iš esmės gali išmatuoti sekundes iki 1 trilijonų dalių. Šis sugebėjimas padaro daugiau nei tikrai geras laikrodis; Ye sakė, kad tai gali padėti ieškoti tokių reiškinių kaip tamsiosios medžiagos. Pvz., Galima būtų atlikti eksperimentą kosmose naudojant tokį tikslų laikmatį, kad būtų galima sužinoti, ar atomai elgiasi kitaip, nei prognozuoja įprastos teorijos.
Tyrimas išsamiai aprašytas žurnalo „Science“ spalio 6 d. Numeryje.
